米饭导热系数测量方法的研究

孟春玲， 刘广伟， 梁 韬， 赵秀华， 李 彤

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048）

米饭导热系数测量方法的研究

孟春玲， 刘广伟， 梁 韬， 赵秀华， 李 彤

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048）

目前常规的导热系数测定仪无法测量米饭等湿物质的导热系数，利用数值模拟仿真软件FLUENT和自行设计搭建的试验平台，结合仿真分析和试验，提出了一种米饭导热系数的测量方法，研究工作为自热食品的后续研究提供基础和理论依据。

米饭；导热系数；测量方法；CFD

自热食品加热过程高度复杂，包括热传导、对流换热及相变换热［1］，同时也存在着流固耦合传热问题。为研究自热食品的传热过程，首先需要得到主食部分较为准确的热物性参数，如导热系数、比热容等。

目前常规的导热系数测定仪主要用于测试塑料、橡胶、玻璃等各种固体材料的导热系数，同时借助夹具还可以测量颗粒料、散料、软料等各种不良导体的导热系数［2-6］。因为自热食品中的主食部分是由不同组份组成的湿物质，如米饭等，各组分具有不同的理化性质，按不同比例配制的食品具有比较复杂的热物性；同时由于自热食品中主食部分的含水量、放置时间的长短等都会显著影响其导热系数，因此现行办法很难准确测量自热食品中主食部分的导热系数。

本文通过对自热食品传热机理的研究，利用数值模拟仿真软件FLUENT和自行设计搭建的试验平台，结合仿真分析和试验，提出了一种能够测量米饭导热系数的方法，研究工作为含水类物质导热系数的测定提供了一种全新的、方便快捷的方法，为自热食品的后续研究提供基础和理论依据。

1 材料与方法

当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象被称为热传导。傅里叶指出，在单位时间内通过单位面积的热量，正比于物体内的温度梯度，即：

式（1）中，Q表示热量（W）；t表示时间（s）；T表示温度（K）；x表示法向上的长度（m）；S表示面积（m2）；λ是导热系数（W·（m·K）-1）。

故为传热速率，是与面积dS相垂直方向上的温度梯度，“-”号表示热量由高温区传向低温区，λ是导热系数［7］。

导热系数是表征物体传热性质的物理量，本文以米饭为例探究湿物质导热系数的测量方法。

1.1 试验材料

自加热米饭（煮熟含水的真空包装）。

1.2 试验仪器

TWC-2A型多路温度测试仪1台、电脑1台、TWC_Serial测温软件1套、热电偶多支、导热系数测量筒1件、加热带（25 W/m）若干、CFD商业软件FLUENT。

导热系数测量筒是自己设计加工完成的，主要由3部分组成，包括上端盖、下端盖、导热桶，其中上端盖与下端盖加工所用材料为导热性能较差的硅橡胶，尺寸较厚，作为上端盖和下端盖的封闭作用外，还有隔热的作用。在试验的过程中，导热筒需要有较好的导热性能，所以采用导热性能较好的铝材，并且设计厚度也较薄，壁厚只有1 mm。装置示意图如图1。

图1 导热系数测定装置示意图Fig.1 Thermal conductivity measuring system diagram

1.3 试验方法

1）用自热米饭将导热系数测量筒填满，盖好上下端盖，用加热带将导热系数测量筒全包裹。

2）将热电偶一端连接到TWC-2A型多路温度测试仪上，另一端插入导热系数测量筒中米饭的中心位置；再连接一热电偶测量环境温度。

3）调试TWC-2A型多路温度测试仪、TWC_ Serial测温软件。

4）打开TWC_Serial测温软件，记录环境温度；再将加热带接通电源，实时记录米饭中心温度，记录时间为1200s，绘制米饭中心温度曲线，以时间为横坐标，米饭中心温度为纵坐标，试验数据曲线如图2。

图2 导热系数曲线比对Fig.2 Comparison diagram of thermal conductivity curves

5）在FLUENT中建立导热系数测定装置仿真模型，参照文献中米饭导热系数0.694 W·（m·K）-1［8-9］，同时取导热系数为0.3，0.7，1.0 W·（m·K）-1，对模型分别进行计算，绘制米饭中心温度曲线。

2 仿真建模

导热系数测定装置的本质是热量在物体内部相邻部分之间的传递，加热带接通电源，释放热量，热量直接以热传导的方式传递到铝壳，热量再由铝壳传递到铝壳中米饭各个部分，满足热传导现象导热方程：

式（2）中，ρ、c、t、T、Φ·、λ分别代表密度（kg/m3）、比热容（J·（kg·K）-1）、时间（s）、温度（K）、发热率（W/m3）和导热系数（W·（m·K）-1）。

导热系数测定装置除了内部存在热传导现象外，加热带外表面、顶盖外表面、底盖外表面与环境之间存在对流换热现象。对流现象是借温度不同的各部分流体发生扰动和混合而引起的热量转移。对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式，可表示为：

式（3）中，Φ为换热量（W），比例系数h称为表面传热系数（W·（m2·K）-1）（又常称为对流换热系数）；ΔT为温差（K），约定永远取正值；A为对流换热面积（m2）。

本文仿真建模必须完整地体现导热系数测定装置在工作状态下热传导和对流换热现象。

2.1 建立模型

设计的导热系数测定装置包括铝壳、米饭、顶盖、底盖、加热带，加热带缠绕在铝壳外，为了加快铝壳外面加热带的热量传递到米饭，装载米饭的铝壳比较薄，厚度为1 mm，为了尽量减小热量散失，顶盖和底盖采用导热性能较弱的硅橡胶。

运用ANSYS ICEM CFD对导热系数测定装置划分网格，如图3，单元数7 344，节点数8 260。

2.2 材料参数

为了得到米饭较为准确的导热系数，在仿真过程中要求模型中其他材料的热物性参数准确。导热系数测定装置的铝壳所用的铝材型号为2A12，顶盖、底盖所用的材料为硅橡胶，米饭的密度、比热容也已通过试验得到了较为准确的数据，如表1。

3 结果分析

FLUENT软件是世界领先的CFD软件，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的研究工作均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用［11-15］。导热系数测定装置在工作状态下，具有较复杂的加热过程，既有热传导又有对流换热，运用FLUENT软件来进行计算仿真。

图3 导热系数测定装置结构Fig.3 Thermal conductivity measuring system structure diagram

表1 各物质热物性参数［10］Tab.1 Physical property parameters

参照文献资料中的米饭导热系数，分别进行了导热系数为0.3，0.7，1.0 W·（m·K）-13种条件下的仿真分析，得到了3种条件下米饭中心温度随时间的变化曲线，并与试验结果进行比较（见图2）。

从图2可以看出，米饭导热系数取0.7 W·（m·K）-1时，与试验结果最为吻合，这也与文献资料［8］中所测得的米饭导热系数为0.694 W·（m·K）-1基本一致，从而验证了该方法的合理性。

4 结 论

由于米饭的含水量、放置时间的长短等都会显著影响其导热系数，因此常规的导热系数测定仪无法测量米饭的导热系数。FLUENT软件是世界领先的流体和热传递CFD软件，利用FLUENT和自行设计的试验平台，在仿真分析和试验基础上所提出的测量米饭导热系数的方法，是一种全新的、方便快捷的方法，该方法适用于米饭等所有常规仪器无法测定导热系数的湿物质，该方法的提出为湿物质传热过程的研究提供了基础和理论依据。

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Study on Measuring Method for Conductivity Coefficient of Cooked Rice

MENG Chunling， LIU Guangwei， LIANG Tao， ZHAO Xiuhua， LI Tong
（School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

Currently the conductivity coefficient of wet materials such as cooked rice and so on cannot be measured by the conventional machines.In this study，the CFD software FLUENT was applied and the experimental devise was set up.A measuring method for the conductivity coefficient of cooked rice was presented and validated by comparison of numerical simulating results with testing results.This research provided theoretical fundamentals for the succeeding research of self-heating foods.

cooked rice；conductivity coefficient；measuring method；CFD

檀彩莲）

TS213；TS210.1

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.02.013

2095-6002（2015）02-0067-03

孟春玲，刘广伟，梁韬，等.米饭导热系数测量方法的研究［J］.食品科学技术学报，2015，33（2）：67-69.

MENG Chunling，LIU Guangwei，LIANG Tao，et al.Study on measuring method for conductivity coefficient of cooked rice［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（2）：67-69.

2015-01-15

孟春玲，女，教授，硕士，主要从事机械设计及仿真研究。